Il Traffico Vescolare: Formazione e Fusione di Vescicole in Cells, Schemi e mappe concettuali di Biologia Cellulare

Scarica Il Traffico Vescolare: Formazione e Fusione di Vescicole in Cells e più Schemi e mappe concettuali in PDF di Biologia Cellulare solo su Docsity! IL TRAFFICO VESCICOLARE Una volta che sono state prodotte nuove proteine sia solubili che di membrana o nuovi lipidi, questi possono essere trasportati all’interno della cellula verso un compartimento target, questo può essere la membrana cellulare o lo spazio extracellulare. Questo tipo di meccanismo viene chiamato esocitosi. Esistono due tipi di esocitosi. Costitutiva (modalità che avviene in continuazione) e regolata (le vescicole si formano, si accumulano e solo quando arriva un messaggero quest’ultime possono essere espulse). Il processo inverso, attraverso cui si rimuovono componenti della membrana o si ingloba materiale dall’esterno e lo si porta attraverso compartimenti chiamati endosomi verso l’interno della cellula si chiama endocitosi. I materiali possono adesso essere riciclcati o degradati nei lisosomi. Le molecole che vengono trasportate da un compartimento donatore verso un compartimento bersaglio vengono chiamate molecole cargo. Le vescicole si formeranno per gemmazione dalla membrana del compartimento donatore e andranno a fondersi con la membrana del compartimento bersaglio, in questo modo il contenuto della vescicola, ovvero il cargo, verrà secreto all’interno del lume del compartimento bersaglio. ESOCITOSI Parte dal RE, le vescicole prodotte dal RE arriveranno al golgi, nel golgi il cargo subirà una serie di modifiche e dall’apparato di golgi le vescicole contenenti il cargo potranno subire una serie di destini: -Andranno verso il compartimento endosomiale (endosoma precoce, endosoma tardivo, lisosoma) -Dirigersi verso l’endosoma tardivo -Dall’endosoma precoce possono dirigersi direttamente verso la membrana plasmatica -Dall’apparato di golgi le vescicole si dirigeranno direttamente alla membrana plasmatica Come si formano le vescicole? Le vescicole gemmano grazie alla formazione di un rivestimento proteico esterno. Queste proteine si concentrano in zone specifiche della membrana, non tutte le aree della membrana degli organelli sono specializzate nella formazione delle vescicole. Il rivestimento proteico esterno, quindi, aiuta non solo a formare la gemma ma anche a modellarla. Esistono 3 tipi di vescicole rivestite: 1. Vescicole rivestite da COP II (COP DUE) che formano gemme sulla membrana del RE 2. Vescicole rivestite da COP I (COP UNO) che sono delle vescicole retrograde, vescicole che dal golgi ritorneranno verso il RE 3. Vescicole rivestite di clatrina che vanno dal golgi fino alla membrana plasmatica o dal golgi fino al compartimento endosomiale. Ciascuna subunità di clatrina è costituita da 3 catene polipeptidiche grandi e da 3 piccole, che insieme formano una struttura a tre gambe chiamata trischelio. I trishceli di clatrina si assemblano in una struttura a forma di canestro costituita da esagoni e da pentagoni. Abbiamo detto che la vescicola si forma su zone specifiche della membrana di un organello, queste zone specifiche sono dettate sia da alcuni lipidi presenti in quella zona ma anche da alcune proteine. In queste zone possiamo trovare i fosfoinositoli, che presentano lo zucchero inositolo che può essere fosforilato in varie posizioni; in base alla fosforilazione il fosfoinositide può legare proteine diverse. Il fosfoinositide rappresenta un marcatore che serve ad attivare il segnale di inizio di formazione della gemma in un punto specifico. Da soli non bastano a dettare la specificità, per questo entrano in gioco una famiglia di GTPasi monomeriche, che in questo caso servono per reclutare il rivestimento. In questo caso la GTPasi concorre a dare specificità al tipo di rivestimento vescicolare, infatti esiste la GTPasi monomerica Arf che recluterà le proteine di rivestimento COP I e clatrina, mentre le GTPasi SAR1 recluteranno COP II. Esempio: formazione di una vescicola con rivestimento COP II (RE GOLGI) SAR1 nel suo stato inattivo lega GDP, quando si avvicinerà alla membrana del reticolo endoplasmatico incontrerà la sua GEF, che scambierà GDP con GTP che provocherà in SAR1 un cambio di conformazione che porterà l’esposizione di una coda lipofilica, che andrà a legarsi ala membrana del RE, ed esporrà una serie di domini di legame a delle proteine adattatrici (proteine che fanno da ponte tra la membrana dell’organello dalla quale parte la gemma e tra le proteine che costituiranno la vescicola, concorrono nel dare specificità con i lipidi e le GTPasi monomeriche al tipo di vescicola che si andrà a formare) , SEC23 e SEC24, SEC24 legherà a sua volta il recettore per il cargo che si trova all’interno del RE. Questo complesso formatosi porterà alla formazione della gemma in quanto queste proteine adattatrici saranno in grado di richiamare e di legare le proteine che costituiscono lo strato esterno della vescicola, ovvero COP II. Un’altra proteina importante in questi processi è la dinamina, consumando energia riesce a tagliare la strozzatura tra la gemma e la membrana dell’organello donatore. Anche le proteine che piegano la membrana contenenti domini a forma di mezzaliuna chiamati domini BAR sono importanti perché si legano alla membrana e le impongono la curvatura. Una volta che si è formata la vescicola questa perderà il suo involucro (idrolisi GTP che comporterà un cambio conformazionale in SAR1 che si staccherà insieme alle proteine che aveva legato, cioè le proteine adattatrici. Attraverso la via retrograda formata da vescicole rivestite da COP I. Come fa la cellula a capire quali proteine appartengono al reticolo? Le proteine possiedono delle sequenze che dettano la loro appartenenza ad un compartimento, esistono infatti delle sequenze di localizzazione delle proteine. Nel caso delle proteine appartenenti al reticolo abbiamo 2 tipo di sequenze segnale all’estremità C-terminale: KKXX (LISINA-LISINA-X-X per le proteine di membrana) KDEL (LISINA-ACIDO ASPARTICO-ACIDO GLUTAMMICO-LEUCINA per le proteine solubili) IL GOLGI L’apparato di Golgi è suddiviso in diversi compartimenti, distinti in base alla loro funzionalità, disposti secondo un asse che va dalla faccia cis, più vicina al RE (di entrata), alla faccia trans (o di uscita): - La faccia Cis: più vicina al nucleo cellulare, si compone di una rete di tubuli interconnessi, detta “rete cis del Golgi” o CGN. Si pensa che la CGN funzioni principalmente come stazione di smistamento, in grado di distinguere le proteine da rispedire nel RE e quelle alle quali è permesso di continuare fino alla porzione seguente del Golgi. - La faccia Trans: è anch’essa una porzione di smistamento, che comprende la rete di smistamento, anche detta TGN o “rete trans del Golgi”, in cui le proteine sono segregate in differenti tipi di vescicole che si dirigono verso la membrana plasmatica o verso varie destinazioni intracellulari. Nel passaggio attraverso le varie pile del Golgi le proteine proveniente dal RE subiscono la modificazione della catena oligosaccaridica aggiunta nel RE. I passaggi di modificazione della catena oligosaccaridica avvengono secondo una sequenza organizzata. Ogni cisterna contiene un enzima specifico, separato fisicamente dagli enzimi che agiscono precedentemente e successivamente sulla catena (compartimentazione dell’apparato di golgi). Dall’apparato di Golgi si originano due grandi classi di oligosaccaridi legati ad N, gli oligosaccaridi complessi (3 unità di mannosio vengono eliminate e vengono aggiunte altre unità trisaccaridiche) e gli oligosaccaridi ad alto mannosio (le catene non vanno incontro ad ulteriori aggiunte). Un altro tipo di modifica è la O- glicosilazione che consiste nell’aggiunta di zuccheri ai gruppi ossidrilici di lisine e treonine come avviene per il collagene. Anche i proteoglicani sono assemblati nel Golgi. Ma qual è la funzione della glicosilazione? 1) La N-glicosilazione promuove il ripiegamento delle proteine -rende le proteine più solubili e ne previene l’aggregazione -stabilisce un codice che marca lo stato di ripiegamento della proteina e ne media il legame con gli chaperoni. 2) Le catene oligosaccaridiche sporgono dalla superficie della proteina, creano ingombro sterico e sfavoriscono l’attacco da parte di proteasi: regolano la stabilità della proteina. 3) Le glicoproteine che formano le secrezioni di muco delle cellule degli epiteli polmonare e intestinale (mucine) proteggono da patogeni. TRASPORTO NEL GOLGI Ci sono due teorie che spiegano il trasporto attraverso l’apparato del Golgi: -Il modello di maturazione delle cisterne spiega che le cisterne del golgi sono strutture dinamiche che maturano da uno stadio precoce a uno tardivo acquisendo e perdendo alcune proteine residenti nel golgi stesso. Secondo questa teoria le nuove cisterne cis si formano da gruppi vescicolari tubulari provenienti dall’RE e maturano per diventare una cisterna trans. -Secondo l’ipotesi del modello di trasporto vescicolare invece, le cisterne sono strutture stabili nel tempo che mantengo le loro caratteristiche proteine, e le proteine del cargo viaggiano grazie al trasporto vescicolare. È molto probabile che entrambe le ipotesi siano vere. TRANS-GOLGILISOSOMI I lisosomi non sono altro che organelli ripieni di enzimi idrolitici che digeriscono le macromolecole. Questi enzimi sono tutti idrolasi acide ovvero funzionano in ambiente acido. I lisosomi sono circondati da una particolare membrana le cui proteine sono particolarmente glicosilate così da proteggerle dalle proteasi lisosomiali presenti nel lume. Una pompa H+ ATPasi nella membrana pompa H+ nel lisosoma mantenendo il lume a pH acido. I lisosomi sono eterogenei rispecchiando la loro grande versatilità e sono in genere i punti in cui convergono vari flussi di traffico vescicolare. Le idrolasi vengono portate dal TNG ai lisosomi passando per gli endosomi grazie ad un marcatore unico chiamato mannosio-6-fosfato (M6P), questi gruppi vengono intercettati dai rispettivi recettori transmembrana presenti nel TNG in questo modo i recettori si legano alle idrolasi e a proteine adattatrici nel rivestimento di clatrina così da impacchettare le idrolasi in vescicole rivestite di clatrina che gemmano dal TNG e trasferiscono in contenuto in endosomi precoci. VIA RETROGRADA (ENDOSOMIGOLGI) Una volta che le idrolasi si dissociano dal recettore di M6P, questo ritorna indietro grazie a vescicole di trasporto rivestite di retromero, un complesso proteico specializzato per il trasporto dagli endosomi al TGN. ENDOCITOSI Nell’endocitosi il materiale da digerire è progressivamente avvolto da una piccola porzione della membrana plasmatica, che prima si invagina e quindi si distacca formando una vescicola endocitica che contiene la sostanza o la particella ingerita. L’endocitosi può avvenire con diverse modalità. Una volta entrate nella cellula, le vescicole generalmente si fondono con un compartimento chiamato endosoma precoce, dove il cargo viene poi smistato, alcune molecole ritornano alla membrana plasmatica attraverso endosomi di recupero o vengono degradate attraverso endosomi tardivi che le trasferiscono ai lisosomi. Il processo per cui le cellule ingeriscono continuamente pezzi della loro membrana plasmatica sotto forma di vescicole pinocitiche viene detto pinocitosi, in questo processo il volume e la superficie della cellula rimangono invariati poiché avviene contemporaneamente un processo di esocitosi. Questo processo inizia in fosse rivestite di clatrina portando alla formazione di vescicole rivestite da clatrina. Non tutte le vescicole pinocitiche sono rivestite di clatrina, le cellule possono formare anche le caveole, partcolari vescicole pinocitoche che si formano a partire dalle zattere lipidiche, le proteine strutturali di queste vescicole sono chiamate caveoline, esse inseriscono un’ansa idrofobica nel versante citosolico della membrana senza attraversarla, così da legarsi a grandi complessi proteici che stabilizzano la curvatura della membrana. La macropinocitosi è un altro processo endocitico, è indipendente da clatrina, esso è una via degradativa indotta per tempi brevi in risposta a segnali cellulari che porta alla formazione di macropinosomi. Per l’assunzione di macromolecole specifiche dal fluido extracellulare la cellula usa l’endocitosi mediata da recettori che è un meccanismo selettivo. Un esempio è il colesterolo che viene trasportato nel sangue sotto forma di lipoproteine a bassa densità (LDL), quando una cellula ha bisogno di colesterolo produce recettori transmembrana per le LDL e li inserisce nella membrana plasmatica, questi diffondono fino a raggiungere fosse rivestite di clatrina. A questo punto un segnale per l’endocitosi nella coda dei recettori delle LDL lega la proteina adattatrice legata alla membrana, si forma la vescicola e dopo aver perso il rivestimento di clatrina le vescicole portano il loro contenuto agli endosomi precoci una volta che le LDL incontrano un basso pH sono rilasciate dai loro recettori e portate dagli endosomi tardivi ai lisosomi. Gli endosomi precoci diventano endosomi tardivi secondo un processo chiamato maturazione dell’endosoma. Avvengono varie modifiche durante la maturazione, tra cui il cambiamento della forma e della posizione e l’acidificazione dell’endosoma Quando gli endosomi maturano, alcune parti della loro membrana si invaginano nel lume dell’endosoma e si staccano per formare vescicole intraluminali. Questi endosomi in via di maturazione vengono chiamati corpi multivescicolari. Durante la maturazione parti della membrana endosomiale che contengono i recettori ubiquitinati si invaginano e si distaccano formando le vescicole intraluminali. Questo processo è mediato da complesso ESCRT che sequestra i recettori dal citosol, soegnendo la loro attività di segnalazione. Attraverso la transcitosi, gli endosomi di recupero regolano la composizione della membrana plasmatica. Nella fagocitosi usa grandi vescicole endocitiche, i fagosomi, per ingerire grosse particelle come microrganismi e cellule morte, la fagocitosi è un processo indotto dal carico ovvero richiede l’attivazione di recettori che trasmettono segnali all’interno della cellula. I segnali della fagocitosi meglio conosciuti sono gli anticorpi. TRANS-GOLGIAMBIENTE EXTRACELLULARE La fusione delle vescicole con la membrana plasmatica è detta esocitosi. In questo modo le cellule sercernono la maggior parte dei proteoglicani e delle glicoproteine della matrice extracellulare. Tutte le cellule richiedono questa via secretoria costitutiva, che è continuamente in funzione e le vescicole sono rivestite fa particolari proteine chiamate coatomeri. Cellule secretorie specializzate dispongono però di una seconda via secretoria in cui proteine e altre sostanze solubili sono conservate inizialmente in vescicole secretorie per il successivo rilascio per esocitosi. Questa è la via secretoria regolata, presente soprattutto in cellule specializzate per la secrezione rapida di prodotti a richiesta, come ormoni, neurotrasmettitori o enzimi digestivi, in questo caso le vescicole sono rivestite di clatrina. L’ingresso nella via costitutiva non richiede un segnale particolare, la via è detta anche via di default. Per quanto riguarda le vescicole secretorie queste si formano nel TGN mediante maturazione, durante la maturazione le proteine vengono processate proteoliticamente